川西四家寨金礦三維模型對找礦預測的啟示

范鈺婷, 陶思影, 李紅賓, 謝卓麟, 王帥, 梁景利, 董國臣*

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083; 2.華北地質勘查局514地質大隊, 承德 067000)

20世紀以來,伴隨著經濟飛速發展,大規模礦產開發利用。急速消耗的礦產資源使得地表以及淺地表礦產開發殆盡,尋找隱伏礦和深部礦已經成為各個國家和地區找礦的主要目標[1]。以往的地質數據如:二維剖面圖、平面圖及等高線不能直觀準確地反映隱伏礦體的具體地質情況[2]。隨著計算機及數據可視化技術迅速發展[3],礦體三維建模技術日漸成熟,在隱伏礦及深部礦的尋找預測方面具有顯著作用;在地形復雜的山區及斷裂發育的礦區,礦體往往受斷裂帶控制,礦體形態規律性連續性受到構造破壞,產狀變化大,二維空間難以準確表示礦體的深部空間展布情況,限制深部找礦、預測工作的開展,而通過三維地質建模可以實現隱伏礦體空間結構、分布透明化,從而提高礦體探測效率[4],因此深部隱伏礦體的三維建模顯得尤為重要[5],這表明大比例尺礦區進行資源預測時需要從二維平面預測轉變為三維空間立體預測[6]。三維地質可視化技術為深部礦產、隱伏礦體的預測提供了新思路,三維找礦信息的獲取、基于三維空間的資源預測評價方法、三維空間可視化技術等已成為當前重要研究課題[7]。

3D地質建模是解釋和可視化地下地質的基本方法[8-9]。常用的礦體三維建模的軟件有:Surpac、FLAC3D、Micromine和AutoCAD等[10]。AutoCAD在中國應用較早,最初是輔助二維平面圖繪制的軟件,后期加入三維圖形繪制模塊,但目前主要用于繪制,礦山井巷圖、開拓系統圖等二維平面圖以及礦山井下實測三維巷道圖;FLAC3D主要用于解決礦山建設中產生的工程地質問題,常與PLAXIS、ANSYS等軟件配合,進行工程數值模擬分析[11];Micromine主要用于資源評估、儲量計算及露天礦和地下礦礦山設計和開采。

Geovia Surpac于1981年由GEMCOM國際礦業軟件公司開發,能夠提供必備的工具和數據輸出格式與專用流程和數據流對接的工作流程自動化功能,且該方法十分靈活,可以隨著地下施工的推進而進一步校準,實時更新,不斷地提供可靠真實的地質體模型[12],實現高效率和高精準度的雙贏。

現選取四家寨礦區進行三維礦體建模,使用Surpac軟件利用礦區剖面數據建立礦體三維模型,期望三維模型能夠直觀地展示地下隱伏地質體及礦體的空間形態、分布特征以及相互關系,進而實現隱伏礦體的推斷,為該地區的金礦勘查、深部找礦預測等提供依據。

1 區域地質背景

康定縣四家寨巖金礦地處大渡河西岸,構造上位于揚子地臺西緣南段[13],如圖1所示。區內褶皺、斷裂發育,巖漿活動和變質作用強烈,屬近南北向大渡河金及多金屬成礦帶,其中攬上金礦床位于揚子陸塊西緣康滇穩定斷塊北端康定巖塊中。區域構造為南北向大渡河韌性剪切斷裂帶,產于前震旦系結晶基底康定雜巖中,是康定雜巖中典型的石英脈型金礦床。

圖1 研究區地質簡圖Fig.1 Geological schematic map of the study area

四家寨攬上金礦受斷裂控制明顯,主控斷層走向為北東-北北東,西傾,以正斷層為主,斷裂走向北北東-北東,傾向北西,傾角45°～51°,在2 510 m中段6～8勘探線間見右行走滑正斷層。在2 510 m中段16勘探線處見北東向(南東傾)正斷層截切主斷裂。區域構造區內構造活動頻繁,一級構造多為壓性、壓扭性,規模宏大,次級構造多為壓性、張性、剪切斷裂帶,一般規模較小[14-15]。形成了主要由NE向、NNW向、SN向構造帶構成“Y”形為主體的構造格局。區內巖金分布較集中,有金礦52處,其中小型礦床 8處、礦點35處、礦化點9處,素有“大渡河金谷”之稱。

2 礦體分布特點

礦區控礦構造為攬上斷層,攬上斷層于礦區中部、北部通過,向北延伸出礦區外,該斷層是區內主要的含礦構造之一,Ⅰ號礦體含礦石英脈產于該韌性剪切破碎帶中,石英脈寬度0.5～35 m,形態、產狀受該剪切帶控制。斷層整體走向近南北向,變化較大,南部呈北偏西,北部呈北偏東,其主控斷層走向均為北東-北北東,傾向整體向西,傾角35°～65°。該斷層為韌性斷層,局部見后期脆性疊加。斷層破碎帶寬7～40 m,表現為強劈理化、糜棱巖化,顯示逆沖斷裂性質。局部拉伸部位有黃鐵礦石英脈充填。

攬上礦體沿斷裂北東向分布,走向為北北東、北西,向東傾,長度較均衡,約300 m,寬度相差較大,最寬處可達400 m,最窄處僅107 m,平均寬度約234 m,礦體厚度1～2 m,由中央向四周變薄直至尖滅,整體呈似囊透鏡狀,金品位變化較大,在0～4.31 g/t,平均品位1.5g/t,地表礦化程度低,向深部品位有增高趨勢[15]。

3 三維地質建模

三維地質建模通常是指建立適當的地質數據結構體及數據庫,用特定的算法在計算機內部生成地質模型,用來反映地質構造形態要素、地質空間內部垂向和橫向分布規律[2],并且在三維建模過程中能從三維空間角度檢驗原始數據的正確性、合理性[16]。利用研究區已有地質和探采資料,基于Surpac三維建模軟件進行地質體的三維建模,三維地質建模過程中結合野外實際地質情況,提高地質模型的可信度,使計算結果更具有可靠性,更貼合野外實際,同時三維地質模型可以根據最新野外數據進行實時調整更新[2]。建模數據主要包括1∶50 000地形地質圖、17條勘探線剖面圖以及22條中段平面圖等[17]。其中,初始資料圖取自礦區,缺乏制圖標準,需要資料校對和處理,以及實地檢驗修改。再將修正后的數據導入Surpac中,經過如圖2所示系列操作流程形成三維地質模型。

圖2 三維建模流程圖Fig.2 Flow diagram of the 3 D modeling

3.1 地表三維模型

地表三維模型(DTM)能夠自然地展示地形地貌特征,直觀的展示礦區地表與其他空間地質體的三維空間位置關系[18],而地表三維模型是由具有高程信息的等高線或高程點構成的,現利用礦區平面圖中的等高線信息,經過空間校正后,這些數據是具有高程信息的等高線或高程點信息,然后轉入Surpac軟件,形成圖3(a)所示的初始等高線數據。

以初始等高線數據為基礎,進行斷線相交檢驗,鑒于斷線及相交線無法形成DTM,需要對斷線及相交線進行修改和刪除,確保無誤后生成地表DTM建立地表模型,包括如圖3(c)中所展示的地表模型俯視圖和圖3(b)、圖3(d)所示正視圖旋轉圖,從地表模型中可以看出,礦區比較靠近山體頂部,最高處海拔2 900 m,最低處1 700 m。高差起伏較大。

3.2 礦體三維模型

建立礦體三維模型有利于直觀地展現礦體的深部隱伏礦體[19],還有利于其品位估值[17]結合金礦體成礦相關地質信息還能對隱伏礦,體進行準確預測[20]。使用勘探線剖面圖生成礦體三維模型的方法,初始數據中包含地表線、斷層線、礦體預測線、巷道、最高水位線以及礦脈編號、礦體傾向傾角等標注。在創建礦體三維模型過程中,首先需要對導入Surpac軟件中的剖面圖進行校正,使其處于正確的空間位置上;之后進行礦體線的提取,提取結果如圖4(a)所示,將不同勘探線剖面同一礦體的礦體線全部提取保存在同一線文件內;再連接三角網創建封閉礦體連接效果如圖4(b)所示。必要時在其間需要添加輔助線,進行合理的礦體外推,用“段到一個點”“兩個段之間”“從一個段到多個段”功能,結合平面圖以及礦體線之間的空間分布關系進行礦體線之間的連接;然后用“在一個段內”或“拓展段”功能對礦體進行封閉[21];最后進行驗證,礦體連接完成后需要進行“有效性驗證”,若不能通過驗證,則點擊“實體修補”選項,進行實體修補,之后再次進行驗證,驗證通過后得到圖5所示的攬上礦體模型。可以看出,攬上礦體整體中間厚四周薄,呈類透鏡狀,沿北東向展布。

圖4 三維礦體生成過程Fig.4 Three-dimensional ore body generation process

圖5 三維礦體成果圖Fig.5 3D ore body achievement diagram

3.3 斷層數據三維模型

斷層對礦體的走向、傾向、連續性等影響很大,其模型有助于看到斷層與礦體之間的相對位置關系,直觀分析斷層對于礦體空間形態、分布及開采的影響[17],目前常見的斷層三維模型的構建方法與礦體三維模型構建方法一致。基于數據可靠性考慮,使用剖面圖構建斷層三維模型,斷層三維模型如圖6所示構建步驟與礦體三維模型構建基本一致,若斷層相交,需要對相交處進行處理。從圖7可以看出,斷層割裂了部分礦體,使礦體南端發生了錯動。

圖6 斷層模型Fig.6 Fault model

圖7 斷層礦體疊加顯示模型Fig.7 Fault ore body superposition shows the model

4 討論

4.1 三維礦體模型分析

攬上礦體產于攬上韌性剪切破碎帶內,礦體主要受韌性剪切構造破碎帶控制。由三維礦體模型可以看到礦體南端尖滅,北端仍未出現尖滅傾向,仍有繼續延伸趨勢。

由三維礦體模型可以看到,攬上礦體總體呈透鏡體狀、脈狀。由于受到東西向斷層的影響,礦體產狀在南段出現扭曲錯動,破壞礦帶和礦體的連續性,改變了礦體的原始產狀,可能會對勘查和開采造成一定的影響。礦體沿走向和傾向方向具波狀起伏現象。走向上,礦體中部厚度大,品位相對較高,四周厚度逐漸變薄,品位相對降低。向南品位逐漸降低至無礦。傾向上,礦體厚度具膨大～縮小的變化特征,品位變化規律不明顯。膨大部位礦體分布于韌性剪切帶石英脈中,形態呈透鏡狀。0～10號勘探線礦體空間展布較完整,10號勘探線后礦體變化較大。

4.2 地表、斷層與礦體空間關系展示

由于原始剖面圖繪圖規范、制圖誤差、研究方法以及地質認識存在不確定性[22]、Surpac軟件剖面圖繪制地質體三維模型原理是連接部分特征點圈定地質體外圍[23],因此可能會出現無法完全貼合實際地質體形狀的情況,導致三維地質模型的不確定性。為了檢驗三維建模的可靠性,基于前人研究,提出基于地質規律和斷層等三維地質體疊加礦體分析[24]。地質規律分析是利用三維模地質體型中的各地質體間界限、展布規律、形態特征以及構造組合樣式、斷層構造錯切關系等與綜合研究成果進行一致性分析,也就是說構建的三維模型應與實際工作推測形態、走向、傾向相接近或符合,其形態、走向應符合地質分布規律[25]。通過與已有地質資料對比分析,以及前人實際工作經驗得知,攬上三維地質模型的形態特征、走向、傾向變化斷層面與礦體之間的錯切關系都符合已有的地質認知且符合地質規律。

將礦體、斷層、地表三維模型建立起來后,為了更直觀的展現三者之間的空間位置關系以及驗證三維模型的可靠性將其同時放在同一空間坐標系。由礦體與斷層的空間分布模型(圖7)可以看出,礦體與斷層貼合,并未出現錯位情況,說明三維建模所取特征點能夠基本代表礦體空間形態特征。由圖8(a)可知,礦體與地表、斷層的空間位置關系正視圖所示,礦體分布于山頂部地表下,與地表近乎垂直;礦體未見出露,為隱伏礦體,由圖8(b)所示,斷層分布在礦體的南部,將礦體分割錯動開來,礦體在10號勘探線附近出現形態、走向變化,可以看到礦體的走向、傾向或者是礦體與斷層間相互關系,都能夠實現很好的擬合。

黃色區域為地表三維模型;紅色區域為礦體 三維模型;藍色區域為斷層三維模型

4.3 三維模型對深部礦體預測

隱伏礦體在研究程度較高的地區,傳統的二維地質資料模擬已經無法滿足要求,三維地質建模可以幫助實現對地質體的透明化勘探[26]、深部礦體預測,能夠提高礦產的開發效率[27]。三維地質模型顯示攬上金礦礦體賦存位置與區域地質成礦規律較為一致,均位于北西向的石英脈體破碎帶中,走向北西,傾向北東,斷裂帶是主要的控礦要素。

攬上礦體三維模型(圖5)可知,北東方向的礦體深部還未封閉,結合三維礦體厚度變化規律,可以推測礦體可能向北東方向延伸,可以在北東方向向深部及淺部尋找隱伏礦體;同時,三維礦體模型還可以看到,在西北方向即12號勘探線附近,礦體向深部延伸,且礦體在走向上、傾向上同樣呈現穩定延伸的趨勢[28],可以推測西北方向深部可能存在礦體[29]。

綜上可知,攬上三維地質模型能夠準確地反映已有地質認知,符合地質規律[30],也能夠很好的顯示礦體的延伸情況,是表征隱伏礦體展布和地質構造的有力工具,可以簡單有效地幫助地質解譯和空間分析工作[31],所建模型真實地反映了攬上礦區礦體的形態、產狀和礦石品位,為生產方案對比決策提供了可靠依據[32],同時為攬上地區的礦體預測提供有力的數據支撐。

5 結論

以川西四家寨金礦為例,通過Surpac軟件建立三維地質體模型。得到以下結論。

(1)三維地質模型能夠隨著勘探過程的進一步推進進行地質模型的實時更新,礦體三維模型清楚地展示礦體總體走向為北北東,延伸較長。在走向和傾向上,礦體中部厚度大,向四周礦體厚度變薄,整體呈透鏡狀。

(2)地表、斷層三維展示可以豐富礦體模型,清楚地顯示出隱伏礦體,南側礦體被斷層錯斷,顯示出各地質體與礦體間的相互關系。

(3)三維礦體模型特征表明,礦體勘探深度較淺,向南部、及南側深部還有較好的成礦潛力,為下一步找礦提供方向。